LTE-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在重載鐵路的應(yīng)用

孔 賓

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 線路檢測和救援中心，肅寧 062350）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

LTE-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在重載鐵路的應(yīng)用

孔 賓

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 線路檢測和救援中心，肅寧 062350）

朔黃鐵路基于LTE-R網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)重載鐵路的同步操控、可控列尾、調(diào)度通信和調(diào)度命令傳遞。同步操控和可控列尾實(shí)現(xiàn)多機(jī)車間的通信連接，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)車同步可控；調(diào)度通信通過IP化的語音實(shí)現(xiàn)日常通話功能；調(diào)度命令則直接利用LTE-R網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能在車—地間傳遞。這些應(yīng)用技術(shù)為重載鐵路的安全可靠運(yùn)行提供了有力保障。

LTE-R；無線通信；重載鐵路

朔黃鐵路是國家Ⅰ級干線、雙線電氣化重載鐵路，西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊港站，正線總長594 km，擔(dān)負(fù)著國家西煤東運(yùn)重要任務(wù)。為在現(xiàn)有線路基礎(chǔ)上加大運(yùn)能，朔黃鐵路開行了萬噸列車，并采用800 MHz+400 kHz無線通信系統(tǒng)提供機(jī)車同步操控?cái)?shù)據(jù)傳輸。開行2萬t貨運(yùn)重載列車以后，系統(tǒng)存在容量較小，可靠性、安全性較差，通信距離不足等問題，無法滿足2萬t貨運(yùn)重載列車多種編組型式和搭載其它業(yè)務(wù)的需求。因此迫切需要建設(shè)一套新型鐵路專用寬帶移動通信系統(tǒng)，為開行2萬t列車無線重聯(lián)、可控列尾、無線列調(diào)、視頻監(jiān)控及下一步的移動閉塞等業(yè)務(wù)提供無線寬帶通信平臺。

1 LTE-R網(wǎng)絡(luò)組成

目前朔黃鐵路公司的LTE-R（Long Term Evolution for Railways）網(wǎng)絡(luò)是在TD-LTE（ Time Division Long Term Evolution）網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加對重載組合列車無線重聯(lián)、集群調(diào)度通信、無線調(diào)度命令和無線車次號校核信息傳送等業(yè)務(wù)的支持，能滿足重載鐵路專用調(diào)度通信的要求。

LTE-R是以演進(jìn)型通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)（EUTRAN，Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）為核心的移動通信網(wǎng)絡(luò)和以演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）以核心的固定有線通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，形成現(xiàn)代調(diào)度通信、信息傳輸、列車控制于一體的通信系統(tǒng)。

LTE-R網(wǎng)絡(luò)組成：LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)、有線調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)、移動終端和固定終端。如圖1所示。

當(dāng)今的無線通信系統(tǒng)是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合體。基站與移動臺之間是無線連接，基站與交換機(jī)之間、交換機(jī)與交換機(jī)之間都是有線連接。一個(gè)移動用戶要想與另一個(gè)移動/固定用戶進(jìn)行通信必須經(jīng)過無線和有線兩種傳輸過程。移動網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)了用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行通信的目的。一個(gè)LTE-R通信系統(tǒng)由若干個(gè)功能實(shí)體組成，這些功能實(shí)體所實(shí)現(xiàn)的功能集合就是網(wǎng)絡(luò)能夠提供給用戶的業(yè)務(wù)，以及對于用戶的數(shù)據(jù)和移動性的操作、管理。LTE-R由4個(gè)子系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 LTE-R網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

圖2 LTE-R網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

空中接口是指移動終端（MS，Mobile Station）（包括車載移動終端和便攜移動終端）和演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B（eNode B，Evolved Node B）間的接口。空中接口協(xié)議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)的。

E-UTRAN由唯一的eNode B功能實(shí)體組成。eNode B的功能如下：無線資源管理、IP頭壓縮與用戶數(shù)據(jù)流的加密、MS終端附著時(shí)的移動性管理實(shí)體（ MME，Mobility Management Entity）選擇、提供到系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（SAE，System Architecture Evolution，）網(wǎng)關(guān)的用戶面數(shù)據(jù)的路由、尋呼消息的調(diào)度與傳輸、系統(tǒng)廣播信息的調(diào)度與傳輸、測量與測量報(bào)告的配置。eNode B之間底層采用IP傳輸，在邏輯上通過X2接口互連；eNode B通過S1接口與一個(gè)或多個(gè)MME/服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW，Serving GateWay）相連接。

EPC由MME、S-GW和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（PGW，Packet Data Network GateWay ）3個(gè)部分組成。各個(gè)部分之間接口均是基于IP傳輸?shù)摹Ｆ渲校琈ME負(fù)責(zé)群發(fā)尋呼消息、接入層的安全控制、空閑狀態(tài)的移動性管理、移動性管理涉及核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的信令控制、非接入層 （NAS，Non Access Stratum）信令的加密與完整性保護(hù)處理、跟蹤區(qū)列表管理、漫游及鑒權(quán)。S-GW的功能有終止由于尋呼原因產(chǎn)生的用戶平面監(jiān)聽、支持由于終端移動性產(chǎn)生的用戶面切換、合法監(jiān)聽、分組數(shù)據(jù)的路由與轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸層分組數(shù)據(jù)的標(biāo)記以及計(jì)費(fèi)功能。P-GW是面向其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，其主要功能包括：基于用戶的包過濾功能、UE的IP地址分配功能。

IMS（ IP Multimedia Subsystem）：IP多媒體子系統(tǒng)。

HSS （Home Subscriber Server）：用戶歸屬地服務(wù)器。

P/I/S-CSCF（Proxy/ Interrogating/Serving Calling Session Control Function（CSCF））：代理/查詢/服務(wù)-呼叫會話控制功能。

OMC-R（Operation and Maintenance Center）：無線接入網(wǎng)網(wǎng)元管理系統(tǒng)。

IMS是一個(gè)在分組域上的多媒體控制/呼叫控制平臺，使得分組域具有電路域的部分功能，支持會話類和非會話類的多媒體業(yè)務(wù)。CSCF呼叫會話控制功能是IP多媒體子系統(tǒng)內(nèi)部的功能實(shí)體，是整個(gè)IMS網(wǎng)絡(luò)的核心，其主要負(fù)責(zé)處理多媒體呼叫會話過程中的信令控制。它管理IMS網(wǎng)絡(luò)的用戶鑒權(quán)、IMS承載面服務(wù)質(zhì)量、控制與其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)體配合進(jìn)行會話初始協(xié)議（SIP，Session Initiation Protocol）會話，以及業(yè)務(wù)協(xié)商和資源分配等。CSCF根據(jù)功能分為代理CSCF，查詢CSCF和服務(wù)CSCF。HSS服務(wù)器，是IMS中控制層的重要組成部分。HSS支持用于處理調(diào)用/會話的IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的主要用戶數(shù)據(jù)庫，包含用戶配置文件，執(zhí)行用戶的身份驗(yàn)證和授權(quán)，并能夠提供有關(guān)用戶物理位置的信息。

OMC-R是無線接入網(wǎng)網(wǎng)元統(tǒng)一管理平臺。通過這個(gè)平臺，可以采用圖形化用戶界面統(tǒng)一管理LTE-R無線接入網(wǎng)的eNode B設(shè)備，并對基站的報(bào)警信息進(jìn)行記錄、保存。

2 LTE-R通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

2.1 重載組合列車無線重聯(lián)業(yè)務(wù)

重載鐵路運(yùn)輸需要多機(jī)牽引模式，機(jī)車間的同步操作就顯得格外重要，如協(xié)同各機(jī)車間的啟動、加速、減速、制動等。假如機(jī)車操作不同步，就會造成車廂間的擠壓或拉鉤現(xiàn)象，嚴(yán)重影響運(yùn)輸安全，降低運(yùn)輸效率。利用LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，采用無線通信的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)車間的同步操作控制。

機(jī)車同步操控系統(tǒng)由地面設(shè)備和機(jī)車車載設(shè)備組成，如圖3所示。其中，地面設(shè)備由無線重聯(lián)應(yīng)用服務(wù)器與LTE-R網(wǎng)絡(luò)組成；機(jī)車車載設(shè)備包括無線重聯(lián)控制模塊和LTE-R車載通信模塊。無線重聯(lián)控制模塊的功能包括：主控機(jī)車分別和從控機(jī)車建立或斷開連接，并在無線重聯(lián)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行注冊；主控機(jī)車與每個(gè)從空機(jī)車之間的排風(fēng)、緊急制動、制動緩解、列車尾部風(fēng)壓查詢的同步操作。LTE-R車載通信模塊的功能包括：建立通信鏈路、保持通信鏈路、通信鏈路監(jiān)視、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取５孛娴臒o線重聯(lián)應(yīng)用服務(wù)器的功能包括：通信鏈路的連接、保持和監(jiān)視的控制；數(shù)據(jù)記錄和查詢業(yè)務(wù)等。

2.2 可控列尾業(yè)務(wù)

圖3 機(jī)車同步操控系統(tǒng)組成示意圖

可控列尾設(shè)備由電源單元、控制單元、接口單元以及通信單元等組成。可實(shí)現(xiàn)通信單元自動完成LTE網(wǎng)絡(luò)注冊；控制通信單元與重載無線重聯(lián)編組應(yīng)用服務(wù)器建立鏈接、拆除鏈接；控制通信單元進(jìn)行無線鏈路有效性檢測；在列尾主機(jī)控制單元和重載無線重聯(lián)車載數(shù)據(jù)通信設(shè)備間實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)常用排風(fēng)、緊急排風(fēng)、跟隨排風(fēng)、風(fēng)壓反饋等功能；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和工作日志記錄。

2.3 集群調(diào)度通信業(yè)務(wù)

列車調(diào)度系統(tǒng)主要是解決鐵路運(yùn)輸過程中的“大三角”和“小三角”通信，其主要用戶包括列車調(diào)度員、機(jī)務(wù)調(diào)度員、車輛調(diào)度員、電力調(diào)度員、車站值班員、機(jī)車司機(jī)、施工調(diào)度員及其他人員。

LTE-R網(wǎng)絡(luò)中除具備列車調(diào)度通信的業(yè)務(wù)外，通過增加集群服務(wù)器的方式滿足鐵路調(diào)度指揮的需求，具備了集群通信的功能。利用LTE-R組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該列車調(diào)度集群語音通信系統(tǒng)可提供緊急呼叫、站內(nèi)組呼、相鄰三基站組呼、功能號碼尋址、短號碼等鐵路集群通信的典型業(yè)務(wù)。

圖4 集群調(diào)度通信組網(wǎng)方式

2.4 無線調(diào)度命令傳輸和車次號核對業(yè)務(wù)

調(diào)度命令是調(diào)度所的列車調(diào)度員向司機(jī)下達(dá)的書面命令，是列車行車安全的重要保證。列車調(diào)度員通過向司機(jī)發(fā)送調(diào)度命令，對行車組織與調(diào)度、事故救援進(jìn)行指揮控制，是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸安全管理的重要手段。現(xiàn)在朔黃鐵路調(diào)度命令的發(fā)布是基于CTC系統(tǒng)進(jìn)行的，調(diào)度員將編輯好的調(diào)度命令發(fā)送至相關(guān)車站，再由車站值班員向相應(yīng)的機(jī)車司機(jī)進(jìn)行傳送。采用LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)將調(diào)度命令以無線的方式直接發(fā)送到機(jī)車司機(jī)處，無疑將加速調(diào)度命令的傳遞過程，提高工作效率。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 無線調(diào)度命令傳遞子系統(tǒng)組成

調(diào)度員通過CTC系統(tǒng)計(jì)算機(jī)編輯調(diào)度命令，編輯好的調(diào)度命令以分組交換的方式通過LTE-R無線調(diào)度子系統(tǒng)進(jìn)行傳輸至相應(yīng)的機(jī)車司機(jī)處。機(jī)車司機(jī)通過車載調(diào)度命令接收子系統(tǒng)對調(diào)度命令進(jìn)行存儲和打印。同時(shí)調(diào)度員這一側(cè)的CTC系統(tǒng)顯示相應(yīng)的調(diào)度命令傳送成功。如果機(jī)車司機(jī)未能正確接收調(diào)度命令，調(diào)度員這一側(cè)的系統(tǒng)也有相應(yīng)提示。

2.5 鐵路其它業(yè)務(wù)

LTE-R網(wǎng)絡(luò)還可以搭載其它鐵路業(yè)務(wù)，如移動閉塞、機(jī)車車載攝像回傳、區(qū)間移動公務(wù)通信等。

3 結(jié)束語

2014年9 月朔黃鐵路全線開通LTE-R網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)試驗(yàn)開行2萬 t重載列車。上述應(yīng)用系統(tǒng)也同時(shí)進(jìn)入到實(shí)用化階段。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，各項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)日臻完善、成熟。目前，朔黃鐵路每天安全開行多對1.74 t重載列車，而基于LTE-R的鐵路其它業(yè)務(wù)也在逐步開始試驗(yàn)中。相信基于LTE-R網(wǎng)絡(luò)的鐵路應(yīng)用系統(tǒng)會為安全、綠色、高效、數(shù)字化鐵路提供技術(shù)支撐。

[1]肖清華，汪丁鼎，許光斌，丁 薇.TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化 [M].北京：人民郵電出版社，2013：3-6.

[2]華 燕. TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢探討 [J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（15）：3.

[3]付紅升,蘭 海,鐘章隊(duì). 基于GSM-R實(shí)現(xiàn)多機(jī)車同步操作控制 [J].中國鐵路，2004（6）：30-31.

責(zé)任編輯 徐侃春

Application of LTE-R network technology in heavy haul railway

KONG Bin
( Line Inspection and Rescue Center, Shuohuang Railway Development Co. Ltd., Suning 062350, China )

Shuohuang Railway Company implemented the synchronous operation, the controllable train-tail, dispatching communication and the command transfer, based on the LTE-R network for the heavy haul transportation. Synchronous operation controllable train-tail built communication connection between the machines to implement the synchronous control of multiple objects. Dispatching communication used the IP voice for the daily calls. Dispatching command was transmitted between the car and ground based on LTE-R network. These applications provided a strong protection for the safety of heavy haul transportation.

LTE-R; wireless communication; heavy haul railway

U239.4∶TP39

A

1005-8451（2015）08-0042-04

2015-01-08

孔 賓，助理工程師。